中国科大在高比能锂金属电池研究中取得新进展

日期： 2024-07-12

浏览次数: 18

来源：中国科学技术大学

近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院焦淑红教授团队，联合北京大学徐东升教授、中国科学院物理研究所王雪锋研究员和苏州大学程涛教授团队，在高能量锂金属电池领域取得突破性进展。研究人员通过调控电解液在介观尺度下的锂离子溶剂化结构，设计了一种紧密离子对聚集体（CIPA）电解液，从而实现了500 Wh kg−1锂金属电池的稳定运行。相关成果以“Towards long-life 500 Wh kg−1 lithium metal pouch cells via compact ion-pair aggregate electrolytes”为题，于7月8日发表在Nature Energy 杂志上。

锂金属电池具有极高的理论能量密度（> 500 Wh kg−1），约为目前商业化锂离子电池的2倍，因此被视为下一代高比能电池的主要技术路线。锂金属电池目前存在的主要挑战是循环寿命较短，限制了其实际应用。近年来，国内外的研究团队开发了多种电解液体系，如高浓盐电解液、局域高浓盐电解液、液化气电解液和弱溶剂化电解液等，通过优化电解液的微观结构尤其是对锂离子的第一溶剂化壳层进行设计和优化，锂金属电池的性能取得了显著提升。但是，这些电解液策略在平衡正负极稳定性方面仍然存在很多问题，使得锂金属软包电池很难同时取得高能量密度和长循环寿命。

针对以上问题，作者提出了一种超越第一溶剂化壳层尺度的电解液设计策略，使阴阳离子对通过紧密堆积的方式形成三维聚集体（AGG）结构，在保持锂金属软包电池高能量密度的同时，大幅提升了其循环寿命（图1）。同步辐射光源的X射线散射技术和理论计算模拟的结果表明，在紧密离子对聚集体（CIPA）电解液中，多个离子对之间通过配位作用相互连接，形成锂离子相互距离为6 Å左右、最大长度为3~4纳米的大尺寸紧密聚集体结构。然而，传统电解液中聚集体的尺寸普遍较小，长度为1纳米左右，且锂离子之间的相互距离为8 Å左右。得益于紧密离子对聚集体（CIPA）电解液的紧密离子对聚集体（CIPA）结构，该电解液在锂金属负极表面形成了以无机物为主、平均厚度约为6.2纳米左右的固体电解质界面膜（SEI），从而显著提升了锂金属负极的界面稳定性。同时，该电解液能大幅抑制氧化物正极材料的不可逆界面变化，减少了电解液在正极界面的副反应。利用该电解液，采用高镍正极材料（LiNi0.905Co0.06Mn0.035O2）设计了能量密度为505.9 Wh kg−1的锂金属软包电池，并实现了130次（约2750小时）稳定循环，显著优于目前已经报道的文献结果。

中国科学技术大学揭育林（博士后）、北京大学王世洋（博士后）、中国科学院物理研究所翁素婷（博士后）和苏州大学刘越（博士后）为论文共同第一作者；中国科学技术大学焦淑红教授、北京大学徐东升教授、中国科学院物理研究所王雪锋研究员和苏州大学程涛教授为通讯作者，合作者包括化学与材料科学学院曹瑞国教授和任晓迪教授。本工作得到国家自然科学基金委杰出青年科学基金、科技部重点研发计划、中国科学院先导计划、基金委面上项目以及中国科大-国轩高科创新电池联合实验室等项目的资助。

本工作特别致谢北京工业大学闫鹏飞教授、张正峰博士，中国科学技术大学同步辐射国家实验室罗震林教授，上海同步辐射光源边风刚教授、林鹤研究员、杨科研究员、缪夏然博士和曹赛超博士等在材料表征和分析等方面的大力支持与帮助。本工作中的部分材料表征实验在中国科学技术大学理化科学实验中心进行，部分计算模拟工作在中国科学技术大学超级计算中心完成。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41560-024-01565-z

上一篇：镥氮气配合物的单甲基化和单质子化下一篇：江西理工大学在稀土分子铁电材料研究取得新进展

Hot News / 相关推荐

北方招宝首批烧结钕铁硼永磁材料试生产圆满完成

2025 - 11 - 07

点击次数: 42

来源：中国新闻网近日，北方招宝首批烧结钕铁硼永磁材料试生产圆满完成。该项工作的完成标志着公司实现了从技术研发到产业化转化的重大突破，为后续投产和市场拓展奠定基础。自项目启动以来，北方招宝建设团队围绕“高标准、高效率”目标，克服基建施工、设备安装等多重挑战，有序推进生产线布局、核心设备初步调试以及厂房内部公辅改造等工作，深度融合多项技术创新成果，坚持效能优化，为烧结钕铁硼永磁材料试生产提供保障。技术...

Noveon与Kangwon将在韩国建设磁体工厂

2025 - 11 - 06

点击次数: 61

来源：中国稀土网美国磁铁生产商Noveon Magnetics与韩国Kangwon Energy签署了一项协议，将在韩国建设一座产能达到2000吨的稀土永磁工厂。该工厂计划于2027年开始生产，为汽车制造商、可再生能源开发商、国防和电子制造商提供磁体材料。去年10月，Noveon与澳大利亚稀土生产商莱纳斯签署了一项供应重稀土和轻稀土的协议。同时，根据一项多年协议，Noveon于7月开始向通用汽车...

莱纳斯第三季度稀土产量上升

2025 - 11 - 05

点击次数: 77

来源：中国稀土网7-9月，澳大利亚莱纳斯稀土产量增长，并首次发运重稀土。7-9月，莱纳斯稀土氧化物总产量同比增长32%，季度增长24%，达到3993吨。镨钕产量总计2003吨，较上一季度的2080吨略有下降，但同比增长16%。莱纳斯继续提高镝和铽的产量。今年5月，公司首次生产镝，成为中国以外第一家重稀土生产商。今年7月至9月，莱纳斯生产了9吨重稀土，并与首批客户签订了合同，产品也发货给了客户。公司...

北方金龙正式获批建设5000吨REO年稀土分离项目

2025 - 11 - 03

点击次数: 114

来源：中国稀土网近日，我国稀土产业“南北协同”再添重磅成果。由北方稀土与厦门钨业旗下金龙稀土强强联合组建的北方金龙，正式获批建设5000吨REO年稀土分离项目。这一项目不仅将进一步丰富北方稀土冶炼分离产品矩阵，更标志着我国稀土产业通过南北联手、优势互补，将持续夯实服务国家战略、顺应行业发展趋势的核心能力。据内蒙古自治区工业和信息化厅公告，该项目总投资达4.7亿元，建设内容涵盖稀土分离生产线车间主厂...